由于鋯具有優(yōu)異的耐腐蝕性，鋯在醋酸、PTA、醋酐、聚甲醛以及氯化聚乙烯等裝置中得到了大量的應(yīng)用[1-4]。近年來，隨著我國工業(yè)技術(shù)的發(fā)展以及對鋯材的深入研究，從海綿鋯的冶煉到板材、鍛件、管材的生產(chǎn)均實現(xiàn)了國產(chǎn)化[5-6]。

隨著我國化工行業(yè)大型化的發(fā)展，鋯材的使用量也隨之增多，國內(nèi)也完善了自己的材料標準及設(shè)計制造標準。2010年，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局與國家標準化委員會共同發(fā)布了《鋯及鋯合金牌號和化學(xué)成分》（GB/T26314）標準，同年國家能源局發(fā)布了《鋯制壓力容器》（NB/T47011）標準，為鋯制容器設(shè)備的設(shè)計制造提供規(guī)范化及標準化標準，《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（TSG21—2016）也將NB/T47011標準列入?yún)f(xié)調(diào)標準中。

鋯材的焊接是設(shè)備制造過程中的關(guān)鍵工藝，合格的焊接接頭質(zhì)量是保證設(shè)備安全使用的關(guān)鍵。

1、R60702鋯性能介紹

1.1物理性能

鋯的活性高，極易受空氣的氧化，在鋯的表面形成一層致密的氧化膜，提高其耐腐蝕性。鋯的密度為6.49g/cm³，熔點為1845℃，其熔點高于鈦、鎳、鋼、銅、鋁等材料。鋯在常溫時的熱導(dǎo)率約為20.8Ｗ／（ｍ·Ｋ），比銅、鋁、鎳都低，與鈦和奧氏體不銹鋼相接近。鋯的室溫?zé)崤蛎浵禂?shù)比鈦更低，約為5.8×10^-6℃。鋯的彈性模量較低，室溫時約為99.3GPa，僅為鋼的一半，在同樣的應(yīng)力作用下，鋯的彈性變形量約為鋼的兩倍[7]。

1.2化學(xué)成分及力學(xué)性能

R60702鋯為工業(yè)級鋯，其化學(xué)成分及力學(xué)性能滿足ＡＳＭＥＳＢ—551標準的要求，ＳＢ—551R60702鋯相當于我國GB/T26314—2010標準中的Zr-3。R60702鋯由于其良好的耐腐蝕性與力學(xué)性能，常用于非核能級壓力容器的選材，其具體的化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1、表2。

1.3晶體結(jié)構(gòu)

R60702鋯在常溫下為密排六方晶體結(jié)構(gòu)，即α-Ｚｒ結(jié)構(gòu)。R60702鋯在865℃時發(fā)生相變，從α相（密排六方晶格）結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪啵w心立方晶格）結(jié)構(gòu)。

R60702鋯中的氧元素、氮元素為α相穩(wěn)定化元素，提高α相到β相轉(zhuǎn)變的溫度[8]。

2、鋯的焊接

2.1鋯的焊接性

鋯的焊接性較好，但由于其熔點較高，焊接時需要采用較大的焊接電流施焊，又由于鋯的導(dǎo)熱性差，電弧停留時間過長，會導(dǎo)致熱影響區(qū)粗晶，因此鋯的焊接應(yīng)采用適當?shù)拇箅娏骺焖俸腹に嚒Ｔ诟邷叵?，鋯與氫、氧、氮、碳等間隙元素發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生脆性化合物，導(dǎo)致沿晶開裂。

為避免氫的吸附，必須將所有濕氣從鋯的表面清除，焊接保護氣體露點溫度應(yīng)在－50℃或更低。氧、氮主要來源于大氣，焊接時必須做好保護，避免焊縫吸氧、吸氮。碳通常來自清潔過程中沒有被完全去除的污垢或油脂，同時焊接區(qū)域清理得不干凈也會增加焊接氣孔的傾向。

2.2鋯的焊接保護

鋯焊接時，ＧＴＡＷ焊應(yīng)采用99.999％的高純度氬氣進行保護，保護噴嘴應(yīng)采用大直徑的噴嘴，最好使用帶有氣體均勻化絲網(wǎng)的透鏡噴嘴，如圖1所示。

鋯焊接時，除焊接熔池需要保護外，背面焊縫及尾部焊縫也同時需要保護，氬弧焊槍要帶有尾部拖罩，如圖2所示。拖罩使溫度高于400℃的焊接接頭置于惰性氣體的保護之下，避免高溫時與空氣接觸，受到空氣污染。

2.3鋯焊接保護效果的要求

鋯的焊縫和熱影響區(qū)的表面顏色是鋯焊縫驗收的重要指標，《鋯制壓力容器》（NB/T47011）標準與《鋯及鋯合金熔焊指南》（ＡＷＳＧ2.5）標準均對鋯焊接保護效果提出了要求，鋯焊縫和熱影響區(qū)表面顏色的規(guī)定見表3。對于鋯的焊接表面顏色的要求，ＡＷＳＧ2.5標準采用了更為直觀的圖片形式表達，如圖3所示。

對于圖3（ａ）中的銀白色為正確保護后的顏色，圖3（ｂ）中的金黃色表明受到輕微的污染，但可以接受，其表面的金黃色可采用潔凈的不銹鋼刷去除。圖3（ｃ）、（ｄ）中的深藍色、紫色表明焊縫及熱影響區(qū)受到中度污染，需要將表面焊縫去除。

圖3（ｅ）、（ｆ）中的黃灰色、灰色表明焊縫及熱影響區(qū)受到嚴重的污染，不僅需要將表面焊縫去除掉，還需要將焊縫每側(cè)的熱影響區(qū)去除掉。

2.4鋯的焊接環(huán)境

鋯的焊接應(yīng)在空氣潔凈、無污染、無煙、無金屬粉塵的潔凈環(huán)境下進行，焊接場所應(yīng)為獨立的區(qū)域，須避免與碳鋼材料接觸，防止被鐵銹污染。焊工衣著鞋帽手套等應(yīng)清潔無污染、鞋底干凈。

3、焊接試驗

R60702鋯焊接后通常不需要進行焊后熱處理，但制作過程中受部件的冷加工變形率過大的影響，焊縫需要隨部件進行消應(yīng)熱處理，或者因成形工藝的需要，部分部件焊后采用了熱成形的工藝，因此根據(jù)設(shè)備制造的需要，進行了焊態(tài)、550℃×6ｈ熱處理以及620℃×6ｈ熱處理的工藝評定試驗，試驗對應(yīng)編號分別為G-1、G-2、G-3。

3.1坡口制備

焊接過程中由于焊接應(yīng)力的作用，不可避免會產(chǎn)生焊接變形，為了減小試板的焊接變形，試板的坡口設(shè)計成雙面坡口形式，試驗所用的R60702鋯板材厚度為13.5mm，具體的坡口形式如圖4所示。為了保證焊接坡口精度與質(zhì)量，坡口加工采用銑床機械加工的方法。

3.2焊材的選用

工藝評定試驗采用與R60702鋯化學(xué)成分及力學(xué)性能相匹配的ＥＲＺｒ-2焊絲進行焊接，焊絲滿足ＡＷＳＡ5.24標準要求。ＥＲＺｒ-2焊絲焊后得到的焊縫金屬具有良好的強度和塑性，其抗拉強度值≥380ＭＰａ[11]。

3.3試板的焊接

試板焊接前，采用電動合金磨頭對坡口及其兩側(cè)25mm的母材進行刮磨，去除坡口及母材表面的氧化膜，并采用丙酮對坡口面及坡口兩側(cè)的母材進行清洗，以保證焊接區(qū)域無油污。試板焊接采用ＧＴＡＷ焊接方法，焊槍噴嘴直徑為Φ20mm，焊槍尾部帶有保護拖罩，背面氬氣保護罩長度與試板長度相同，保護氣體均為99.999％高純度氬氣，試板具體的焊接規(guī)范參數(shù)見表4。試板焊后焊縫及熱影響區(qū)表面顏色為銀白色，表明焊接過程中保護良好，未受到污染，試板焊后表面顏色如圖5所示。

3.4試板焊后無損檢測

試板焊接后，按照NB/T47013標準對G-1、G-2、G-3焊接試板進行100％滲透檢測以及100％射線檢測。滲透檢測后未發(fā)現(xiàn)表面缺陷，射線檢測后，試板內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔、未熔合、未焊透等缺陷，滲透檢測及射線檢測結(jié)果滿足標準的要求。

3.5焊后熱處理

G-2、G-3焊接試板采用電爐進行焊后熱處理，熱處理時每塊試板布置2支熱電偶，具體的熱處理工藝見圖6、圖7。

4、試驗結(jié)果與分析

G-1、G-2、G-3焊接試板按照《鋯制壓力容器》（NB/T47011）標準的附錄Ｂ進行焊接工藝評定試驗，每個試板進行拉伸試驗2件、面彎及背彎試驗各2件，同時又增加了硬度、宏觀金相、微觀金相等試驗。

4.1拉伸試驗

對G-1、G-2、G-3焊接試板按照NB/T47011附錄Ｂ圖Ｂ.6制取緊湊型板接頭帶肩板形拉伸試樣，在萬能拉伸試驗機上進行試驗，拉伸試驗結(jié)果見表5。從表5的拉伸試驗結(jié)果來看，拉伸試驗的抗拉強度值均大于R60702母材標準的下限值380ＭＰａ，滿足標準的要求。

4.2彎曲試驗

彎曲試驗按照NB/T47011附錄Ｂ圖Ｂ.10（ａ）、（ｂ）圖樣，每個試板取2個面彎試樣和2個背彎試樣。 經(jīng)180°彎曲后，均無裂紋。

焊接接頭經(jīng)過彎曲變形后，表面沒有任何開裂，這表明焊接接頭在焊態(tài)和經(jīng)歷過550℃×6ｈ、620℃×6ｈ熱處理態(tài)后均具有良好的致密性和塑性。

4.3硬度試驗

硬度是鋯焊接的一個重要性能指標，焊縫及熱影響區(qū)硬度的升高除受自身微觀組織的影響外，還和焊接保護效果有關(guān)。

鋯焊接過程中如保護不當，造成焊縫及熱影響區(qū)吸收了氫、氧、氮元素，也會導(dǎo)致硬度升高。

硬度試驗按照《金屬材料—維氏硬度試驗》（GB/T4340.1）標準對G-1、G-2、G-3試板的焊縫、熱影響區(qū)、母材進行硬度試驗，硬度試驗結(jié)果（ＨＶ10）見表6。

G-1、G-2、G-3試板焊縫及熱影響區(qū)的硬度與各自母材硬度之差均不超過50ＨＶ10，滿足工程規(guī)范的要求，這進一步證明在焊接過程中，焊接保護良好，焊縫及熱影響區(qū)未造成污染。

4.4宏觀金相試驗

宏觀金相試驗按照《金屬材料焊縫破壞性試驗—焊縫宏觀和微觀檢驗》（GB/T26955—2011）標準對G-1、G-2、G-3試板的焊接接頭進行試驗。

G-1、G-2、G-3宏觀金相如圖8～圖10所示，三個觀金相試樣的焊縫金屬與母材熔合良好，無裂紋、道間未熔合、未焊透等缺陷，證明R60702鋯采用ＧＴＡＷ焊接方法，焊接接頭質(zhì)量可靠穩(wěn)定。

4.5微觀金相試驗

微觀金相試驗按照《金屬材料焊縫破壞性試驗—焊縫宏觀和微觀檢驗》（GB/T26955—2011）標準對G-1、G-2、G-3試板的焊縫、熱影響區(qū)、母材進行試驗。

微觀金相試樣在電子顯微鏡下放大200倍觀察，焊縫及熱影響區(qū)未見顯微缺陷，微觀金相如圖11～圖13所示。

從圖11（ａ）、圖12（ａ）、圖13（ａ）母材的微觀組織來看，均為α相等軸晶。圖11（ｂ）與圖12（ｂ）熱影響區(qū)的微觀組織，圖11（ｃ）與圖12（ｃ）焊縫的微觀組織基本一致，熱影響區(qū)與焊縫均為片狀α′相（即鋯的馬氏體相）。

圖11（ｂ）、圖11（ｃ）與圖12（ｂ）、圖12（ｃ）微觀組織的一致性也表明了焊接接頭在經(jīng)歷了550℃×6ｈ的熱處理后，組織上未

發(fā)生明顯的再結(jié)晶。圖13（ｂ）、圖13（ｃ）焊接熱影響區(qū)及焊縫微觀組織同樣為片狀的α′相，但相對于圖11（ｂ）、圖11（ｃ），圖12（ｂ）、圖12（ｃ）的微觀組織其晶粒組織更加細小，表明經(jīng)過620℃×6ｈ的焊后熱處理后，焊縫及熱影響區(qū)發(fā)生了再結(jié)晶。

鋯的相變點溫度為865℃，在相變溫度之上鋯的組織為β相，受焊接熱源的作用，焊縫及熱影響區(qū)的溫度均高于865℃，焊后高溫狀態(tài)的焊縫和熱影響區(qū)從β相快速冷卻至室溫時，組織的晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生切變，形成片狀的馬氏體，致使焊縫和熱影響區(qū)的組織形態(tài)最終為馬氏體組織。

4.6綜合分析

相對比G-1試板焊態(tài)的抗拉強度，G-2試板550℃×6ｈ以及G-3試板620℃×6ｈ熱處理后的抗拉強度均有所下降，這表明焊后熱處理會導(dǎo)致焊接接頭強度下降。通過G-2試板與G-3試板拉伸試驗數(shù)據(jù)對比，550℃×6ｈ熱處理后的抗拉強度下降要比620℃×6ｈ熱處理后的抗拉強度下降明顯。

從G-2試板與G-3試板焊接接頭的微觀組織對比來看，經(jīng)過620℃×6ｈ焊后熱處理后的組織發(fā)生了再結(jié)晶，晶粒得到了細化，因此G-3試板焊接接頭抗拉強度下降較少。通過對微觀組織的觀察，焊縫及熱影響區(qū)硬度的升高主要是由于焊縫、熱影響區(qū)與母材的組織差異性導(dǎo)致的。相對于母材的α相而言，α′相其硬度相對較高，焊縫及熱影響區(qū)α′相的生成使焊縫和熱影響區(qū)硬度升高。從硬度數(shù)據(jù)的結(jié)果可以看出，α′相導(dǎo)致的硬度升高是有限的，從彎曲試驗的結(jié)果來看，α′相的產(chǎn)生并不會導(dǎo)致焊接接頭塑性有明顯的下降。

5、結(jié)語

本文通過對R60702鋯的物理性能、化學(xué)成分、力學(xué)性能、焊接性能進行分析，并根據(jù)上述一系列試驗結(jié)果及相關(guān)分析，可以得出以下4個結(jié)論：

（1）R60702鋯采用鎢極氬弧焊焊接，焊槍采用尾部拖罩保護，背面也采用氬氣保護罩進行保護，可獲得銀白色的焊縫金屬。無損檢測的合格性以及宏觀金相試驗的合格性，均表明采用鎢極氬弧焊焊接方法質(zhì)量可靠穩(wěn)定。

（2）R60702鋯采用鎢極氬弧焊焊接，焊材采用ＥＲＺｒ-2焊絲，在焊態(tài)、550℃×6ｈ熱處理態(tài)、620℃×6ｈ熱處理態(tài)下的抗拉強度與彎曲性能均能滿足標準的要求。與焊態(tài)相比，經(jīng)歷550℃×6ｈ熱處理后的焊接接頭其抗拉強度下降明顯，經(jīng)歷620℃×6ｈ熱處理后的焊接接頭其組織發(fā)生了再結(jié)晶，晶粒得到了細化，抗拉強度下降不明顯。

（3）焊縫及熱影響區(qū)的硬度值不高于母材硬度值50ＨＶ10，滿足工程規(guī)范的要求，證明焊接時保護良好，焊縫及熱影響區(qū)未受到氫、氧、氮的污染。焊縫及熱影響區(qū)硬度的升高，主要是由于微觀組織中生成的α′相導(dǎo)致的。

（4）R60702鋯焊態(tài)及550℃×6ｈ、620℃×6ｈ熱處理后的焊縫及熱影響區(qū)組織均為片狀α′相，但經(jīng)歷620℃×6ｈ熱處理后的焊縫及熱影響區(qū)發(fā)生了再結(jié)晶，組織得到了細化。

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